DE1245254B

DE1245254B - Verfahren und Vorrichtung zum Anstauchen einer begrenzten Stirnzone eines metallischen Bauteils

Info

Publication number: DE1245254B
Application number: DEH46718A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Heinrich Hertel; Dr-Ing Dietrich Ruppin
Original assignee: HEINRICH HERTEL DR ING
Current assignee: HEINRICH HERTEL DR ING
Priority date: 1962-08-22
Filing date: 1962-08-22
Publication date: 1967-07-20
Also published as: CH404361A; GB1035506A; SE311105B; US3269167A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

B 21 j

Deutsche Kl.: 49h-1

Nummei: 1 245 254

Aktenzeichen: H 467181 b/49 h

Anmeldetag: 22. August 1962

Auslegetag: 20. Juli 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Anstauchen einer begrenzten Stirnzone eines metallischen Bauteils, die durch Stoßenergie unter Aufbau eines entsprechenden Gegendruckes verformt wird.

Die beim Anstauchen eines Werkstückes wirksame Formänderungskraft verlangt bekanntlich eine entsprechende Gegenkraft, damit das Werkstück der Verformungsarbeit nicht ausweichen kann. Hierzu wird das Werkstück möglichst in der Nähe des aufzustauchenden Bereiches eingespannt, was bekanntlich vor allem bei langgestreckten Werkstücken, wie Rohren oder Stangen, die Gefahr eines Abknickens ausschließt. Dabei ist es in vielen Fällen nicht möglich, das Aufstauchen in einem einzigen Arbeitsgang durchzuführen, weil die erforderlichen Druckkräfte zu groß sind, die unter axialem Stauchdruck von einer radialen Abstützung aufgefangen werden müssen. Ein zu diesem Zweck schon bekanntes, stufenweises Erhitzen solcher Werkstücke ist aufwendig und zeitraubend sowie nicht eindeutig auf den zu verformenden Bereich zu beschränken. Besonders schwierig ist das Aufstauchen begrenzter Stirnzonen von Bauteilen, die verhältnismäßig große Abmessungen haben. Auch bei Verwendung der Stoßenergie eines Schlaghammers soll deren Verformungsarbeit auf einen engen Bereich des Werkstückes begrenzt sein und außerhalb dieses Bereiches weder bleibende Verformungen noch Beschädigungen hervorrufen, so daß es einer sehr sorgfältigen Einspannung und Abstützung bedarf, die mit zunehmender Werkstückgröße den Fertigungsaufwand erheblich verteuert.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die genannten Schwierigkeiten zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das vor allem mit wesentlich geringerem Aufwand durchführbar ist als die bisher bekannten Stauchverfahren. Der Lösung dieser Aufgabe liegt der Gedanke zugrunde, die aus der Lebenserfahrung bekannte Tatsache auszunutzen, daß sehr kurzzeitig einwirkende Stoßenergien auch häufig eine erhebliche Verformungsarbeit leisten, die sich auf einen engen Bereich konzentriert und außerhalb dieses Bereiches keine sichtbaren Spuren hinterläßt.

Zur spanlosen Bearbeitung von Metallen sind in neuerer Zeit unter dem Begriff »Hochenergieumformung« Verfahren bekanntgeworden, bei denen kurzzeitig große Verformungskräfte zur Auswirkung kommen. Die bisher bekannten Verfahren einer solchen Hochenergieumformung benutzen als Kraftquelle einen pneumatischen, hydraulischen oder chemischen Explosionsdruck. Nach der Druckübertragung unterscheidet man direkte Verfahren und in-Verfahren und Vorrichtung zum Anstauchen
einer begrenzten Stirnzone eines metallischen
Bauteils

Anmelder:

Dr.-Ing. Heinrich Hertel,

Berlin 19, Tannenbergallee 36

Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Heinrich Hertel,
Dr.-Ing. Dietrich Ruppin, Berlin

direkte Verfahren, wobei diese entweder ein flüssiges Medium oder beschleunigte Werkzeugteile als Übertragungsmittel benutzen können. Anwendungszwecke sind das Lochpressen, Stanzen, Plattieren, Prägen und das Gesenkformen von Metallen, wobei als besonderer Vorteil des raschen Umformungsvorganges, insbesondere bei schwierigen Werkstoffen, wie rostfreiem Stahl, hochfesten Aluminiumlegierungen und Titanerzeugnissen eine unerwartet hohe Dehnung

3„ und Bildsamkeit der betreffenden Werkstücke festzustellen ist und als weitere Vorzüge die geringe Rückfederung und die Einhaltung engerer Maßtoleranzen bekannt sind.
Um die genannten Vorteile nun auch zum Anstauchen von metallischen Bauteilen auszunutzen und gleichzeitig die gestellte Aufgabe zu lösen, ein Stauchverfahren zu schaffen, das ohne die eingangs genannten Schwierigkeiten mit einem sehr geringen Fertigungsaufwand durchgeführt werden kann, wird zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß die stoßartige Energieübertragung auf den Zeitraum des Beharrungsvermögens der ruhenden Masse des Bauteiles beschränkt wird. Auf diese Weise gelingt es, die Masse des Werk-Stückes selbst als Gegenkraft für die Aufstauchung auszunutzen, wobei sich überraschenderweise ergibt, daß die Einspannung des Werkstückes bei Anwendung der Erfindung nahezu vollständig durch die genannte Ruhemasse des Werkstückes entbehrlich gemacht wird. In vielen Fällen, insbesondere bei größeren Bauteilen, beispielsweise Lichtmasten aus Aluminium, genügt es vollauf, wenn der betreffende

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Bauteil in der vorgesehenen Lage ruht und dann flußt die Masse der Platte 3 natürlich die Stauch-

allein durch seine Haftreibung gegenüber der Unter- geschwindigkeit, man kann jedoch eine leichte und

lage beim Anstauchen liegenbleibt. großflächige Platte 3 genügend steif ausbilden, wenn

Dieser Zustand läßt sich in Weiterbildung der Er- man sie zur Seite der Sprengladung 4 hin verrippt.

findung auch in anderen Fallen ohne wesentlichen 5 Die im Schnitt zur F i g. 1 durch zwei verstärkte

Mehraufwand dadurch erzielen, daß das Beharrungs- · Linien angedeutete Schubverbindung zwischen der

vermögen der ruhenden Masse des zu verformenden Rundstange 1 und den beiden Fremdmassen 2 und 7

Bauteiles durch eine zusätzliche, der Stoßenergie ent- ist für das vorgeschlagene Stauchverfahren notwen-

gegenwirkende Fremdkraft gesteigert wird. Dies läßt dig. Zu diesem Zweck kann ein diesen Berührungs-

sich bei Anwendung der Erfindung besonders einfach ₁₀ raum spaltfrei ausfüllendes Metall 8 eingegossen wer-

dadurch bewerkstelligen, daß als Fremdkraft eine den, beispielsweise Woodmetall, das wegen seines

vorzugsweise mehrteilige Fremdmasse dient, die in niedrigen Schmelzpunktes leicht wieder zu entfernen

Schubverbindung mit dem Bauteil angeordnet und ist und eine Verbindungshülse bildet, wie Fig. 2

deren der Energieübertragung zugekehrter Teil ge- zeigt.

gebenenfalls mit einer Gravur versehen ist. Die Stoß- ₁₅ Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 veranschauenergie kann in bekannter Weise durch einen mit licht die Verwendung einer einteiligen Rückhalte-Hochdruckgas oder Explosionsgas beschleunigten masse 2, 7 mit eingesetzten, kegelförmigen Klemm-Schlagstempel erzeugt werden, vorzugsweise jedoch keilen 9, jedoch hat sich überraschenderweise unmittelbar durch eine Pulver- oder Sprengladung. ergeben, daß zur Herstellung der erforderlichen

In der Zeichnung sind Vorrichtungen zur Durch- ₂₀ Schubverbindung zwischen dem Bauteil 1 und der

führung des erfmdungsgemäßen Stauchverfahrens Fremdmasse bereits die beim Verformen der Stirn-

und weitere Beispiele zu dessen Erläuterung schema- zone senkrecht zur Stoßrichtung auftretende

tisch dargestellt. Es zeigen elastische Volumenvergrößerung des Bauteiles 1 aus-

F ig. 1 bis F ig. 3 Stauchvorrichtungen im Schnitt, reicht. Diese tritt als Folge der übertragenen Stoß-

F i g. 4 bis F i g. 9 Vorrichtungen wie F i g. 1 mit ₂₅ energie kurzzeitig auf und führt dazu, daß sich die

verschiedenen Gesenkformen, Rundstange 1 während des Umformungsvorganges

Fig. 10 das Raumbild einer Vorrichtung zum vorübergehend fest in der Fremdmasse2 und7 bzw.

Stauchen einer Blechkante und 2, 7 fest verspannt. EineBeschädigung oder bleibende

Fig. 11 bis Fig. 14 vier weitere Beispiele zur Verformung ergibt sich dabei nicht, wenn die vorErläuterung des Verfahrens sowie ₃₀ gefertigten Teile mit ausreichend glatten Oberflächen

Fig. 15 eine Vorrichtung mit automatischer und geringem Spiel über die Rundstange 1 geschoben

Gesenköffnung. sind.

Alle gezeichneten Ausführungsbeispiele betreffen Die beschriebene einfachste Art einer Schubverdas Anstauchen einer Rundstange 1 oder eines bindung ist den weiteren Beispielen zur Erläuterung Bleches V, die aus einer Aluminiumlegierung beste- ₃₅ des Erfindungsverfahrens nach F i g. 4 bis F i g. 9 zuhen, jedoch lassen sich in ganz entsprechender Weise gründe gelegt, die sich vom Ausführungsbeispiel nach auch Anstauchungen an einer oder mehreren Stellen F i g. 1 nur durch die einstückige Fremdmasse 2,7 anderer Bauteile durchführen, beispielsweise ver- nach F i g. 3 unterscheiden und die verschiedenen rippte Integralbauplatten aus . hochfesten Leicht- Möglichkeiten einer Formgebung der zu stauchenden metallegierungen für den Flugzeugbau in einer Weise Stange 1. Diese ist jeweils innerhalb der Vorrichtunformen, die nicht durch Gesenkschmieden möglich gen nach F i g. 4 bis F i g. 9 vor Zündung der Sprengwäre, ladung 4 sowie daneben jeweils im Schnitt nach be-

Unmittelbar auf die anzustauchende Rundstange 1 endetem Stauchvorgang dargestellt,
ist eine Werkzeugplatte3 angelegt und auf deren Fig. 4 zeigt den einfachsten Fall, wobei die gegenüberliegenden Seite eine Sprengladung 4 ab- ₄₅ Fremdmasse 2,7 und die zu ihr parallele Werkzeugstandsfrei angeordnet, die als Quelle der Stoßenergie platte 3 einen zylindrischen verdickten Endabschnitt dient. Mit 5 ist die dazugehörige Sprengkapsel be- 10 bilden. Die Vorrichtung nach F i g. 5 entspricht zeichnet. Um sicherzustellen, daß sich die Rund- F i g. 1 und führt zu einem kegelförmigen Kopf 11, stange 1 beim Zünden der Ladung 4 ausschließlich welcher entsprechend der freien Einspannlänge der stirnseitig verformt und ihre Lage im übrigen bei- ₅₀ Rundstange 1 noch einen Ringbund 12 aufweist. Wie behält, ist das Beharrungsvermögen der ruhenden F i g. 6 zeigt, läßt sich jedoch auch nach außen hin Masse der Stange 1 durch eine zusätzlich der Stoß- eine eindeutige Abmessung erreichen, wenn die energie entgegenwirkende Kraft in Form der aus den Werkzeugplatte 3 in das betreffende Gesenk hinein-Teilen2 und 7 bestehenden Fremdmasse gesteigert. paßt und infolgedessen einen zylindrischen Kopf 13 Der Teil 7 hat die Form einer durchlochten Ring- ₅₅ vorgegebener Abmessungen erzeugt,
scheibe und dient nur als Fremdmasse, während der Das Beispiel nach F i g. 7 zeigt eine Werkzeug-Teil 2 außer dieser Funktion auch die Aufgabe eines platte mit darin eingeschnittener Vertiefung 15, die Gesenkes erfüllt und hierzu mit einer konischen mit der dazugehörigen Fremdmasse als Gegengesenk Gravur 6 versehen ist. einen abgestuften Zylinderkopf 14 erzeugt. BeimBei-

Beim Zünden der Sprengladung 4 wird die Stirn- 60 spiel nach F i g. 8 trägt die Werkzeugplatte 3 noch zone der Rundstange 1 so kurzzeitig in das Gesenk 6 einen Kegel 16 als zusätzliches Gesenkteil, wodurch hineingeschlagen, daß die stoßartige Energieüber- ein trichterförmiger Kopf 18 entsteht. Eine abgewantragung auf den Zeitraum des Beharrungsvermögens delte Form entsteht nach Fi g. 9 beim stumpfenDorn der ruhenden Masse der beteiligten Teile beschränkt 17, der einen becherförmigen Kopf 19 erzeugt,
ist. Dabei wird durch die wesentlich größere Auflage- 65 Wie Fig. 10 zeigt, ist die Anwendung des Erfinfläche der Sprengladung 4 auf der Werkzeugplatte 3 dungsverfahrens keineswegs auf zylindrische oder nur eine entsprechende Kraftübersetzung gegenüber der rechteckige Bauteile beschränkt, sondern unter AnStirnfläche der Rundstange 1 wirksam. Auch beein- passung der Sprengladung 4 und der Werkzeug-

Claims

platte 3 auch zum Anstauchen eines Bleches 1', das auf diese Weise eine verdickte Randkante erhält. Zur Veranschaulichung der Tatsache, daß man das vorgeschlagene Verfahren ohne besondere Einspannung der betreffenden Bauteile durchführen kann, dienen die Beispiele nach Fig. 11 bis Fig. 14. Fig. 11 zeigt die Grundanordnung mit einer Rundstange 1, die an ihrem dem Stauchvorgang entgegengesetzten Ende lediglich abgestützt und nicht eingespannt ist. Sie bleibt während des Stauchvorganges in Ruhe, wenn die mit ihr in S chub verbindung stehende Fremdmasse 2, 7 ausreichend groß und nur durch Reibung auf ihrer Unterlage abgestützt ist. Ohne jede Reibung würde die Rundstange 1 auch nach Fig. 12 während des Stauchvorganges die gezeichnete Ruhelage nicht verlassen, wenn die Stoßenergie extrem kurzzeitig erfolgt oder wenn man den von der Ruhemasse nicht aufgefangenen Rest der Stoßenergie durch die gezeichnete Pendelanordnung kompensiert. Zu diesem Zweck würde es genügen, die an den beiden eingezeichneten Fäden 20 frei aufgehängte Rundstange 1 im Sinne der Pfeile nach Fig. 12 aus ihrer Ruhelage zu schieben, bis die Fäden 20 die mit 21 gestrichelt angedeutete Stellung einnehmen. Läßt man die Stange 1 dann frei zurückschwingen, so daß ihre kinetische Energie beim Erreichen der gezeichneten Mittellage annähernd gleich groß ist, wie der Restbetrag der durch eine Stauchumformung nicht aufgezehrten Stoßenergie der Ladung 4, dann heben sich beide Energien gegenseitig auf. Dieser selbstverständlich nur unter Anwendung elektronischer Steuermittel und Einhaltung genauer Randbedingungen erreichbare Zustand zeigt sehr anschaulich das Wesen des vorgeschlagenen Stauchverfahrens. Wie man sieht, handelt es sich in diesem Falle nicht um einen Grenzfall, sondern nur um einen mittleren Zustand, der ohne weiteres in beiden Bewegungsrichtungen überschritten werden kann. Überwiegt die kinetische Energie, dann wird sich die Stange 1 beim Anstauchen sogar auf die Platte 3 zu bewegen, wäh- +0 rend sie im anderen Falle die gezeichnete Ruhelage nicht ganz erreichen kann. Wie Fig. 13 veranschaulicht, läßt sich die Stange 1 auch ohne Widerlager und ohne Anwendung kinetischer Energie in ihrer Ruhelage mit senkrechten Fäden 20 stauchen, Dies ist dadurch möglich, daß eine zweite Sprengladung 22 angeordnet wird, die der Sprengladung 4 entgegenwirkt und deren Zündcharakteristik im Idealfalle so verläuft, daß zwischen beiden Explosionskräften Gleichgewicht herrscht, die Ladung 22 also im wesentlichen dann erst zur Auswirkung kommt, wenn der Stauchvorgang beendet und die noch überschüssige Stoßenergie der Ladung 4 aufzufangen ist. Eine weitere Möglichkeit, die vom Stauchvorgang übrigbleibende Stoßenergie bei ruhender Stange 1 durch eine Auffangvorrichtung 25 aufzunehmen, zeigt Fig. 14 im grundsätzlichen Aufbau und Fig. 15 in vergrößerter Darstellung. Die Stange 1 nach Fig. 15 ist nahe ihren beiden Enden ohne ein der Stauchenergie entgegenwirkendes Widerlager abgestützt. Der an der Werkzeugplatte 3 anliegende Endabschnitt der Stange 1 wird von zwei Gesenkschalen 26 und 26' eng umfaßt, die durchgehend ein Innengewinde 23 bilden und ihrerseits in einem konischen Gesenkhalter 24 ruhen. Dieser ist auf einer Stirnseite mit einem Stützring 27 ausgerüstet, auf der entgegengesetzten Seite mit einer weiten Bohrung versehen und damit in der Lage, ohne Berührung der Stange 1 auf seiner Unterlage zu gleiten. Die mit der gleichen Unterlage festverbunden dargestellte und in sich abgefederte Auffangvorrichtung 25 steht ebenfalls mit der Stange 1 nicht in Berührung. Mit einer solchen Vorrichtung wird der nach dem Stauchvorgang übrigbleibende Teil der von der Sprengladung 4 stammenden Stoßenergie in vorteilhafter Weise dazu ausgenutzt, um das zunächst in Schubverbindung mit der Rundstange 1 stehende und damit als Fremdmasse zur Vergrößerung der Ruhemasse dienende Gesenk nach dem Stauchvorgang selbsttätig zu öffnen. Beim Zünden der Sprengladung 4 wird die Werkzeugplatte 3 beschleunigt, deren Stoßenergie auf die Stängel übertragen und dabei deren Stirnzone in den Gewinderaum 23 der Gesenkschalen 26 und 26' hineingeformt. Noch bevor der Stauchvorgang beendet ist, erreicht die Platte 3 den Stützring 27 und beschleunigt über diesen den gleitend angeordneten Gesenkhalter 24, der als Folge seiner konischen Innenabmessungen von den Gesenkschalen 26 und 26' abgestreift und gegen die Auffangvorrichtung 25 geschleudert wird. Bis zu diesem Zeitpunkt wird die Stängel ausschließlich von den beiden Gesenkschalen 26 und 26' berührt. Diese können dann in seitlicher Richtung abgenommen werden bzw. frei herabfallen. Die Auffangvorrichtung 25 wird natürlich im praktischen Falle nicht gefedert, sondern stoßdämpfend ausgeführt, um die Bewegungsenergie des Gesenkhalters 24 zu vernichten und damit jede nachträgliche Beschädigung an der Oberfläche der angestauchten Rundstangel zu vermeiden. Um die Durchführung des erfindungsgemäßen Stauch Verfahrens in bestimmten Fällen zu erleichtern, beispielsweise wenn spröde Metallegierungen zu stauchen oder verhältnismäßig große Verformungen durchzuführen sind, läßt sich die betreffende Stirnzone des Bauteiles auch in einfacher Weise vor dem Anstauchen erhitzen. Patentansprüche:

1. Verfahren zum Anstauchen einer begrenzten Stirnzone eines metallischen Bauteils, die durch Stoßenergie unter Aufbau eines entsprechenden Gegendruckes verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die stoßartige Energieübertragung auf den Zeitraum des Beharrungsvermögens der ruhenden Masse des Bauteiles beschränkt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Vergrößerung des Beharrungsvermögens durch Fremdkraft.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar auf das anzustauchende Bauteil (1) eine Werkzeugplatte (3) kleiner Masse angelegt und auf deren gegenüberliegenden Seite, vorzugsweise mit einer mehrfach größeren Berührungsfläche, die Quelle (4) der Stoßenergie abstandsfrei angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Fremdkraft eine vorzugsweise mehrteilige Fremdmasse (2, 7) vorgesehen ist, die in Schubverbindung mit dem Bauteil (1) angeordnet und deren der Energieübertragung zugekehrter Teil (2) gegebenenfalls mit einer Gravur (6) versehen ist.